基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统的制作方法

本实用新型属于节能环保技术领域，涉及一种基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)太阳能综合利用驱动系统。

背景技术：

太阳能作为一种可再生的新能源，其清洁、环保、取之不尽、用之不竭的优势成为人们应对能源短缺与节能减排的重要焦点之一。现阶段，太阳能主要有光热利用与光电利用，但由于太阳能辐射能量密度很低，并且随地域差异、昼夜交替和季节变化等规律性变化，太阳能热利用表现出明显的间断性和不稳定性；除此之外，我国光伏产业的原材料主要依靠进口，使得光伏发电应用的成本很高，同时光伏产业面临的低端产能过剩、企业盈利能力普遍不强等问题也制约了光电转化技术的应用。

太阳能热电站的总效率取决于太阳能集热器的效率与发电效率，现有太阳能集热装置一般采用圆管型低倍聚焦复合抛物面集热器(Compound Parabolic Concentrator，简称CPC)，它是依据光线在槽型抛物面反射镜聚焦为线型聚光斑带进行集热，通过将多个槽型抛物面聚光集热装置串、并联，可获得高温，加热工质。

但是，目前圆管型CPC集热装置的角度调节装置多用液压传动机构驱动支架跟踪太阳，这样就使得其驱动结构相对庞大和复杂，液压系统也存在泄漏等一些问题，同时为了使其追踪精度能够精确一些，液压机构和光传感器的要求也要提高，这就使得投入的成本很高，设计的整个支架也较为复杂。太阳能属于低温、低压、不稳定的低品位能源，如何高效综合回收这种低品位能源并转化成高品位能源(如电能、热能)，对解决我国能源短缺和能源结构的问题将有重 大意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统，通过光电转化与光热转化系统满足生产生活中用电、用热需求，可实现太阳能的梯级利用，也可达到节能增效的目的。

本实用新型的技术方案是：基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统，包括太阳能驱动系统所需的连接管路、驱动线路和发电机；所述太阳能驱动系统由CPC集热回路、ORC回路和供热回路三个系统回路组成；所述CPC集热回路由集热器场、蓄热器、第一循环泵、蒸发器、低温储热装置和第二循环泵连接组成；所述ORC回路由蒸发器、双螺杆膨胀机、发电机、第三循环泵和冷凝器连接组成；所述供热回路由第四循环泵、低温储热装置、供热终端装置和辅助热源连接组成；

所述CPC集热回路由循环支路G1、循环支路G2和循环支路G3三条支路构成；所述循环支路G1由集热器场、蓄热器和第一循环泵依次串联连接组成；所述循环支路G2由集热器场、蒸发器、低温储热装置和第二循环泵依次串联连接组成；所述循环支路G3由蓄热器、蒸发器、低温储热装置和第二循环泵依次串联连接组成；

所述蒸发器、双螺杆膨胀机、冷凝器和第三循环泵依次串联形成所述ORC回路；所述双螺杆膨胀机通过所述发电机驱动相连；

所述供热终端装置和辅助热源相并联后再与所述低温储热装置、第四循环泵依次串联形成所述供热回路；

所述蓄热器上设有与之并联的第一控制阀，所述低温储热装置上设有与之并联的第二控制阀，所述供热终端装置上设有与之并联的第三控制阀。

所述集热器场由多个集热器通过串联、并联或串联并联组合三种方式中的任何一种方式构成。

所述集热器下方设有热敏材料支架，热敏材料支架与集热器采用螺栓连接，通过热敏材料热缩冷胀的尺寸变化来调节集热器所处的角度。

所述双螺杆膨胀机设置在蒸发器的有机工质流出端TR₂与冷凝器的有机工质流入端TL₁之间的回路上。

所述第三循环泵设置在蒸发器的有机工质流入端TR₁与冷凝器的有机工质流出端TL₂之间的回路上。

本实用新型的有益效果为：本实用新型提出的基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统，系统布局紧凑，工作原理清晰，由CPC集热回路、ORC回路和供热回路三个系统回路组成，集热器下方设置采用螺栓连接的热敏材料支架，通过热敏材料热缩冷胀的尺寸变化来调节集热器所处的角度，该支架替代了传统的光传感器和液压驱动结构两大部分，在满足集热功能的前提下，使得整个集热器装置的复杂程度得到了简化，大大降低了其在运行中的跟踪故障率，梯级回收利用太阳能能量可以满足生产生活用电、用热等不同需求，减轻人们对于传统能源的依赖性，对于节能减排与环境保护具有深远的意义。

附图说明

图1为本实用新型系统结构示意图。

图2为本实用新型循环线路示意图。

图3为本实用新型中集热器在上午时刻追踪太阳的角度示意图。

图4为本实用新型中集热器在中午时刻追踪太阳的角度示意图。

图5为本实用新型中集热器在下午时刻追踪太阳的角度示意图。

图中：集热器场1、蓄热器2、蒸发器3、双螺杆膨胀机4、发电机5、冷凝 器6、低温储热装置7、供热终端装置8、辅助热源9、第一循环泵10、第二循环泵11、第三循环泵12、第四循环泵13、第一控制阀14、第二控制阀15、第三控制阀16、CPC集热回路Ⅰ、ORC回路Ⅱ、供热回路Ⅲ。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1-5所示，基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统，包括太阳能驱动系统所需的连接管路、驱动线路和发电机5；太阳能驱动系统由CPC集热回路Ⅰ、ORC回路Ⅱ和供热回路Ⅲ三个系统回路组成；CPC集热回路由集热器场1、蓄热器2、第一循环泵10、蒸发器3、低温储热装置7和第二循环泵11连接组成；ORC回路由蒸发器3、双螺杆膨胀机4、发电机5、第三循环泵12和冷凝器6连接组成；供热回路由第四循环泵13、低温储热装置7、供热终端装置8和辅助热源9连接组成；

如图1所示，基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统，CPC集热回路由循环支路G1、循环支路G2和循环支路G3三条支路构成；循环支路G1由集热器场1、蓄热器2和第一循环泵10依次串联连接组成；循环支路G2由集热器场1、蒸发器3、低温储热装置7和第二循环泵11依次串联连接组成；循环支路G3由蓄热器2、蒸发器3、低温储热装置7和第二循环泵11依次串联连接组成；蒸发器3、双螺杆膨胀机4、冷凝器6和第三循环泵12依次串联形成ORC回路；双螺杆膨胀机4通过所述发电机5驱动相连；供热终端装置8和辅助热源9相并联后再与低温储热装置7、第四循环泵13依次串联形成所述供热回路；蓄热器2上设有与之并联的第一控制阀14，低温储热装置7上设有与之并联的第二控制阀15，供热终端装置8上设有与之并联的第三控制阀16。

如图1所示，基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统，集热器场 1由多个集热器通过串联、并联或串联并联组合三种方式中的任何一种方式构成。集热器下方设有热敏材料支架，热敏材料支架与集热器采用螺栓连接，通过热敏材料热缩冷胀的尺寸变化来调节集热器所处的角度。双螺杆膨胀机4设置在蒸发器3的有机工质流出端TR₂与冷凝器6的有机工质流入端TL₁之间的回路上。第三循环泵12设置在蒸发器3的有机工质流入端TR₁与冷凝器6的有机工质流出端TL₂之间的回路上。

如图1-2所示，基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统的具体连接如下：CPC集热回路Ⅰ中，集热器通过串联、并联或串联并联组合组成集热器场1，集热器场1分别与蓄热器2、第一循环泵10和蒸发器3、低温储热装置7、第二循环泵11通过密封管路形成两条导热液循环支路G₁、G₂，以完成能量的梯级回收与储存，其中循环支路G₂中第一控制阀14与蒸发器3并联，用以控制导热液进入蒸发器3中的流量；第二控制阀15与低温储热装置7并联，用以调节进入低温储热装置7中的导热液流量。蓄热器2与蒸发器3、低温储热装置7、第二循环泵11通过密封管路形成导热液循环通路G₃。蓄热器2包括导热液入口X₁、导热液出口X₂、导热液入口C₁和导热液出口C₂；蒸发器3包括导热液入口TS₁、导热液入口TS₂、有机工质入口TR₁和有机工质出口TR₂。ORC回路Ⅱ中，蒸发器3和有机工质入口TR₁、有机工质出口TR₂形成了加热通路；冷凝器6和冷却水入口TL₁、冷却水出口TL₂形成了冷却通路。在蒸发器3的有机工质流出端与冷凝器6的有机工质流入端之间的有机工质循环回路上设置有双螺杆膨胀机4；在蒸发器3的有机工质流入端与冷凝器6的有机工质流出端之间的有机工质循环回路上设置有循环泵03；双螺杆膨胀机4的输出轴连接发电机5。供热回路Ⅲ中，供热终端装置8、辅助热源9、第三控制阀16采用阈值控制电路连接方法与低温储热装置7串联形成低温低压工质流通回路。

如图1-2所示，基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统的具体工作过程是：

CPC集热回路Ⅰ中，集热器场1吸收太阳辐照，集热器内导热介质温度升高，其中一部分导热介质进入支路G₂通过蒸发器3把热量传给ORC工质，温度下降后的导热介质热量与低温储热装置7进行换热，导热介质温度进一步下降，最后通过第二循环泵11将导热介质送入集热器群，完成支路循环；另一部分导热介质进入支路G₁把热量传给蓄热材料，将多余的太阳热能储存在蓄热装置中，当阴天或太阳能供热不足时，利用蓄热器2向末端供热。对于低温容易冻结的导热介质，必须有辅助加热器维持导热介质温度，保证系统安全可靠运行。

CPC集热回路Ⅰ釆用温差控制循环泵01的启闭。具体操作如下：通过温度传感器测量集热器群的出口温度T₀与蓄热器2的底部温度T₁，当T₀与T₁的温差达到设定值ΔT时，温差控制器发出信号，第一循环泵10开始运行，使蓄热器2温度维持恒定；当太阳光照不足或其他天气时，集热器群无法完全充分工作，即T₀＜＜T₁，温差控制器发出信号，第一循环泵10停止运行，此时ORC回路与供热回路的热量就由蓄热器2通过支路G₃提供，实现能量的不间断供应。

ORC回路Ⅱ中，有机工质在蒸发器3中与导热介质进行充分换热，有机工质定压吸热后，高压气体进入双螺杆膨胀机4膨胀做功，推动双螺杆转子高速旋转，通过阳转子输出功，从而带动发电机5发电；双螺杆膨胀机4尾部排出的有机工质进入冷凝器6中定压冷凝；冷凝器6出口的有机工质经过第三循环泵12加压后进入蒸发器3完成一次发电循环。

供热回路Ⅲ中，通过温度传感器测量低温储热装置7的温度T_M与供热终端装置8的温度T_N，当T_M，T_N＞T(T为设定值)时，阈值控制器发出信号，控制阀C开启，辅助热源9停止工作，第四循环泵13停止工作；当T_M＞T＞T_N，阈值控 制器发出信号，控制阀C开启，辅助热源9停止工作，第四循环泵13开始工作；当T_M，T_N＜T，为了保证供热终端装置8正常使用，阈值控制器发出信号，控制阀C关闭，辅助热源9开始工作，第四循环泵13停止工作。供热终端装置8可采取热水系统或采暖系统，以便冬天可直接提供建筑采暖热能，夏季可直接为吸收制冷循环热量，避免电热转化环节。

第一控制阀14、第二控制阀15的启闭主要是依据用户的不同需求进行选择，例如当用户只需要供电功能时，关闭第一控制阀14，打开第二控制阀15，此时供热回路Ⅲ便被旁路，导热介质通过蒸发器3换热后经过第二循环泵11进入集热器场1的温差相比供电、供热功能全部使用时的小，则导热介质停留集热器场1的时间缩短，有利于系统效率的提高；其它供热或供热/供电功能控制方式与前述所举案例类似，此处不再赘述。特别注意的是，通过第一控制阀14开口的大小可以间接地控制进入双螺杆膨胀机4的流量Q，从而到达调节双螺杆膨胀机4转速，进一步控制发电机5发电量的目的。

如图3-5所示，基于螺杆膨胀技术的有机朗肯循环太阳能驱动系统的角度调节原理如下：利用热敏材料(锑、铋、镓等金属)遇热收缩、受冷膨胀，随温度发生变化的规律这一反常特性来调整集热器所处的角度，从而达到追踪太阳光的目的。采用螺栓连接方式将热敏材料支架与CPC集热器连接固定，具有方便快捷、易维护等优势。

图3是上午时，太阳位于南偏东的位置，由于太阳照射到东面的热敏支撑材料，使得东面的热敏材料受热收缩，从而改变集热器的角度达到追踪太阳光的目的；图4是中午时，太阳位于正南方向的位置，此时两边的热敏支撑材料受热收缩的长度相同，因此集热器也是处于不偏转的正中位置；图5是下午时，太阳位于南偏西的位置，由于太阳照射到西面的热敏支撑材料，使得西面的热 敏材料受热收缩，从而改变集热器的角度为南偏西去追踪太阳光。